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非平衡MDと量子化学計算による無機膜の透過機構の解明と分子設計

研究課題

研究課題/領域番号 11450291
研究種目

基盤研究(B)

配分区分補助金
応募区分一般
研究分野 化学工学一般
研究機関大阪大学

研究代表者

新田 友茂  大阪大学, 大学院・基礎工学研究科, 教授 (00029480)

研究分担者 高橋 英明  大阪大学, 大学院・基礎工学研究科, 講師 (10291436)
研究期間 (年度) 1999 – 2000
研究課題ステータス 完了 (2000年度)
配分額 *注記
11,700千円 (直接経費: 11,700千円)
2000年度: 4,700千円 (直接経費: 4,700千円)
1999年度: 7,000千円 (直接経費: 7,000千円)
キーワード無機膜 / 炭素膜 / ゼオライト膜 / 分子動力学 / 非平衡 / 量子化学計算 / 電子状態
研究概要

本研究の目的は、機能性材料として多くの可能性を有する無機膜の透過機構を解明するとともに、その分子設計の方法論を試行的に確立してゆくことである。
分子シミュレーションでは、細孔構造の異なる3つの炭素膜(菱型、ジグザグ型、平滑スリット型細孔)を創り、メタンとエタンの透過現象を計算して次のような知見を得た。(1)気体の透過と分離機構は選択的な吸着、膜内拡散抵抗、膜入口・出口の透過抵抗の3つの因子で説明できる。(2)菱型とジグザグ型の膜では細孔内の拡散抵抗と出口抵抗が大きいが、平滑スリット型の膜では出口抵抗が支配的である。(3)吸着力が強い成分の拡散速度が大きくなるような膜構造が最適である。また、柔かい分子の透過プログラムを開発し、ブタン異性体/ゼオライト膜の透過シミュレーションを行ったが、計算時間が長いのでプログラムの並列化を計画しており、新しい並列計算機の導入を期待している。
膜表面の化学修飾の研究では、量子化学計算を用いて決定した分子間ポテンシャルの安定化因子分解から、主要な因子を増幅するような原子を選び出すというルールに従って、MgOおよびTiO_2表面の修飾を試みた。試行した分子はNH_3とCO_2である。NH_3-TiO_2系ではNH_3分子からTi原子への電荷移動があり、分子分極も大きくて、修飾するまでもなく化学吸着状態であることがわかった。CO_2-MgOおよびCO_2-TiO_2系は物理吸着であり、表面のO原子からCO_2分子への電荷移動が支配的であった。原子の選択ルールに従って、Mg原子あるいはTi原子の一部を電気陰性度のより小さなCaで置換することにより吸着エネルギーが予想通り増大した。また、分子分極による安定化を促進するには柔らかい原子を選べばよいが、現在までの計算では、分極項は相互作用エネルギーへの感度が弱いことを示唆するデータが出ている。

報告書

(3件)
  • 2000 実績報告書   研究成果報告書概要
  • 1999 実績報告書
  • 研究成果

    (18件)

すべて その他

すべて 文献書誌 (18件)

  • [文献書誌] Shin-ichi Furukawa: "Nonequilibrium MD Studies on Gas Permeation through Carbon Membranes with Belt-like Heterogeneous Surface"Journal of Chemical Engineering of Japan. 32. 223-228 (1999)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Hideaki Takahashi: "Chemical Modification of MgO (001) Surface by Utilizing Energy Decomposition Analyses for the Purpose of CO_2 Adsorption"Bulletin Chemical Society Japan. 73. 315-319 (2000)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Tomoshige Nitta: "Simulation Performance of a Non-Equilibrium Molecular Dynamics Method using Density Difference as Driving Force"Molecular Simulation. 25. 197-208 (2000)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Shin-ichi Furukawa: "Non-equilibrium Molecular Dynamics Simulation Studies on Gas Permeation through Carbon Membranes with Different Pore Shape Composed of Micro-graphite Crystallites"Journal of Membrane Science. 178. 107-119 (2000)

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      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] 新田友茂: "炭素膜の気体透過シミュレーション"ケミカルエンジニアリング. 46(2). 126-132 (2001)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Furukawa, S., T.Sugahara and T.Nitta: "Nonequilibrium MD Studies on Gas Permeation through Carbon Membranes with Belt-like Heterogeneous Surfaces"J.Chem.Eng.Japan. 32 (2). 223-228 (1999)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] H.Takahashi, K.Okuda and T.Nitta: "Chemical Modification of MgO (001) Surface by Utilizing Energy Decomposition Analyses for the Purpose of CO_2 Adsorption"Bull.Chem.Soc.Jpn.. 73. 315-319 (2000)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] T.Nitta and S.Furukawa: "Simulation Performance of a Non-Equilibrium Molecular Dynamics Method using Density Difference as Driving Force"Molecular Simulation. 25. 197-208 (2000)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Furukawa, S.and T.Nitta: "Non-Equilibrium Molecular Dynamics Simulation Studies on Gas Permeation through Carbon Membranes with Different Pore Shape Composed of Micro-Graphite Crystallites"J.Membrane Sci.. 178. 107-119 (2000)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Nitta T.and S.Furukawa: "Molecular Simulation of Gas Permeation through Carbon Membranes"Chemical Engineering (in Japanese). 46 (2). 126-132 (2001)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Hideaki Takahashi: "Chemical Modification of MgO (001) Surface by Utilizing Energy. Decomposition Analyses for the Purpose of CO_2 Adsorption"Bulletin Chemical Society Japan. 73. 315-319 (2000)

    • 関連する報告書
      2000 実績報告書
  • [文献書誌] Tomoshige Nitta: "Simulation Performance of a Non-Equilibrium Molecular Dynamics Method using Density Difference as Driving Force"Molecular Simulation. 25. 197-208 (2000)

    • 関連する報告書
      2000 実績報告書
  • [文献書誌] Shin-ichi Furukawa: "Non-equilibrium molecular dynamics simulation studies on gas permeation through carbon membranes with different pore shape composed of micro-graphite crystallites"Journal of Membrane Science. 178. 107-119 (2000)

    • 関連する報告書
      2000 実績報告書
  • [文献書誌] 新田友茂: "炭素膜の気体透過シミュレーション"ケミカルエンジニアリング. 46(2). 126-132 (2001)

    • 関連する報告書
      2000 実績報告書
  • [文献書誌] 古川信一: "非平衡分子動力学法を用いた無機膜の気体透過挙動の研究"化学工学シンポジウムシリーズ. 66. 110-114 (1999)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] Shin-ichi Furukawa: "Non-equilibrium MD Studies on Gas Permeation through Carbon Membranes with Belt-like Heterogeneous Surfaces"Journal of Chemical Engineering of Japan. 32(2). 223-228 (1999)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] Hideaki Takahashi: "Chemical Modification of MgO(001) Surface by Utilizing Energy Decomposition Analyses for the Purpose of CO_2 Adsorption"Bulletin of Chemical Society of Japan. 73. 315-319 (2000)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] Shin-ichi Furukawa: "Simulation Performance of Non-Equilibrium Molecular Dynamics Method using Density Difference as Driving Force"Molecular Simulation. (in press).

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書

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公開日: 1999-04-01   更新日: 2016-04-21  

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